伺服機構用星形密封圈充氣合格率提升

馮加印，鄒昊生

（上海航天控制技術研究所，上海 201109）

1 引言

星形密封圈為伺服機構關鍵基礎件，是電液伺服機構中的關鍵密封件，P214-A丁腈橡膠是為液壓伺服機構研制的專用膠料，該膠料具有較好的耐高低溫、耐油的平衡性能以及優異的耐磨性能。近年來，隨著各型號星形密封圈使用數量的增加和質量要求的提高，按原有工藝生產的星形密封圈氣檢合格率較低，難以滿足產品裝配數量、質量的要求。為解決這一問題，需要對星形密封圈生產過程進行試驗研究，優化工藝過程，以提高星形密封圈的充氣合格率和表面質量。

2 必要性分析

近年來，隨著科研生產任務的不斷增加，伺服機構用星形密封圈配套數量也大幅度增加，產品生產過程中發現，使用的P214-A膠料星形密封圈的充氣合格率不高，一直維持在20%左右，某些批次充氣合格率甚至不足10%，且由于生產廠家的生產效率有限，給產品生產進度造成了影響，適當提高星形密封圈的充氣合格率是很有必要的。

通過開展X形密封圈的充氣檢合格率提升研究工作，使得X型密封圈充氣合格率由改進前的20%以下提高到70%（含70%）以上。

3 原因分析及改進措施

3.1 原因分析

針對星形密封圈充氣合格率低的問題，首先開展氣檢方法研究，星形密封圈氣密檢查是將星形密封圈放入高壓密閉容器，充入高壓氮氣至13 MPa保壓24 h后取出產品，30 min以內通過肉眼觀察表面是否起泡。

不同于金屬或塑料件，橡膠類高分子材料分子間空隙較大，在高壓下氮氣會有輕微滲透。卸壓后滲透進入橡膠材料的氣體發生溢出，出現起泡現象。

橡膠材料用于氣體密封或真空密封的場合時，要求其具有較低的氣體滲透性，以抵抗氣體分子的通過，具有較高的氣密性。橡膠材料的氣密性主要取決于大分子鏈的結構，如果大分子鏈中含有極性基團或大的側基，分子鏈段的活動性就降低，對氣體分子的屏蔽作用就越大，氣體分子的滲透作用就較小，該類橡膠的透氣性就越低，丁基橡膠和高腈含量丁腈橡膠低的透氣性就是這個道理。相反，如果大分子鏈的柔性好，鏈段的運動性強，氣體的透氣性就比較高，天然橡膠和順丁橡膠等即為此類橡膠。

同時，橡膠結晶成分的存在或氣體分子尺寸的增大也增大了氣體透過的難度，使氣體的透過性降低。

炭黑和填料的加入使橡膠大分子鏈的運動性降低，并提高了膠料內部的堆砌密度，使膠料的透氣性減少。具有片層狀結構的云母、石墨粉等填料，由于其具有更好的阻滯作用，可顯著降低膠料的透氣性。而軟化劑提高了分子鏈的運動性，并使膠料的致密性降低，導致硫化橡膠的透氣性增大。提高膠料的交聯度，增大膠料的致密性也可使膠料的透氣性降低，不過交聯網絡的尺寸較氣體分子的尺寸要大許多，所以硫化狀態對透氣性的影響可能相對較小。

橡膠的透氣性與透過系數有關，透過系數越大，氣透性越好。橡膠透過系數（以空氣為例）比較為：硅橡膠＞天然膠＞氟橡膠＞丁苯膠＞氯丁膠＞丁腈膠＞丁基膠。

從表1中可以看出，丁基橡膠具有較好的耐透氣性；耐油橡膠，則一般選用高丙烯腈含量的丁腈橡膠。所以，對于要求高真空度的橡膠密封制品，一般采用丁基橡膠、丁腈橡膠制造。

表1 幾種橡膠的空氣滲透系數

3.2 改進措施

丁腈橡膠P214-A是專門為伺服機構密封系統研發的膠料，它具有較高的耐油性（耐10#和15#液壓油）、耐高低溫性能，經過產品例行試驗、可靠性增長試驗驗證，其性能穩定，較好地滿足了產品使用要求。鑒于此，在產品已經定型的前提下，調整膠料配方的方法可行性不高，如更換高丙烯腈含量的丁腈生膠，該方法會降低產品的低溫性能指標。換言之，任何更改和調整配方的方案是不可行的，只能對星形密封圈生產制造過程進行優化，進行精細化管理，確保星形密封圈產品穩定。

3.2.1 原材料準備及混煉膠制備過程的改進與優化

嚴格按照工藝進行配料、混煉，保證每個過程干凈，避免其他雜質帶入。混煉膠的主料丁腈生膠采用10噸開煉設備進行塑煉，然后用單層100目不銹鋼濾網過篩，過濾掉生膠中的雜質。配料工段，P214-A膠料中使用的軍品噴霧炭黑用80目銅網過篩，粉料用80目不銹鋼濾網過篩，其他原材料均選用一級或軍品級，避免不明軟雜質出現。配料過程中使用的小料用精度為2 g的電子天平稱量，保證配料的準確度。在煉膠的過程中，對生膠薄通3遍，待膠料煉好之后對混煉膠薄通3遍，保證生膠和其他填料混煉均勻（見圖1～2）。

圖1 生膠過濾

圖2 炭黑過濾

3.2.2 半成品制備過程的改進與優化

性能測試合格后的混煉膠用單層100目不銹鋼過濾網過篩，過濾掉前道工序操作過程中帶入的雜質。過篩后通過擠出機擠成對應規格的半成品，用塑料布包裹，備用。混煉膠過濾及半成品制備（見圖3～4）。

圖3 混煉膠過濾

圖4 半成品制備

3.2.3 模具檢查、修模和重新加工過程的改進與優化

對現有型號規格的星形圈，模具加工時選用優質模具鋼（見圖5～6），并對模具型腔進行精細拋光處理，保證后期生產的星形密封圈光澤度更優，表面質量更好，做到生產無縫對接。

圖5 KJ1-2/21-025 106×6.8×6.8

圖6 KJ2-2/102-010 62.5×5×5

同時對模具的保存、使用、管理工作進行優化，在模具庫設定專業的貨架存放密封圈模具，避免非生產過程對模具造成的損傷，（見圖7）。

圖7 模具存放架

3.2.4 硫化工序的優化與改進

建立無塵硫化專用凈化室（見圖8），采購專用平板硫化設備，硫化過程中，每天進行首模鑒定、并增加產品專檢。使用前對模具用細砂紙進行拋光處理，硫化后用干凈綢布對模具進行擦拭，保證生產出的星形密封圈表面光亮、無雜質，保證后續產品的質量穩定性及產品表面光潔（見圖9）。

圖8 無塵硫化專用凈化室

圖9 工人硫化

4 試驗驗證

采用上述工藝改進措施之后，對改進后的星形密封圈按工藝文件要求進行氣檢。將星形密封圈放入高壓密閉容器中（充氣壓力為13 MPa，充氣后高壓密閉容器穩壓24 h）。充氣結束后，將星形密封圈從密閉容器中取出，加嚴檢驗，用5倍放大鏡對星形密封圈表面質量進行檢查。表面密封部位不允許有氣泡，非密封部位不允許有嚴重起泡或多于5個可見氣泡。檢驗合格后靜放24 h后，再進行檢查。檢查結果見表2所示。

表2 運載伺服機構X形密封圈密實性檢查

進行工藝改進后，對2種規格星形密封圈氣檢合格率進行統計。從表3中可以看出，工藝改進后星形密封圈氣檢合格率達到70%以上，滿足伺服機構星形密封圈氣檢合格率提高至70%（含70%）以上的技術指標。

表3 運載伺服機構配套2種規格的X形密封圈氣檢合格率

5 結論

（1）通過對粉料及炭黑等填料的過篩，以及對生膠和混煉膠料的過濾，生產出的星形密封圈表面干凈、無雜質、密實度高。

（2）通過對模具的檢查、修模以及重新加工，星形密封圈表面光潔度有很大提高。

（3）星形密封圈在硫化專用無塵凈化室中，采用專用平板硫化機進行生產，確保產品表面光潔、干凈、無雜質；質量穩定性有了大幅提高

（4）通過改進工藝生產過程，改善生產設備及環境，星形密封圈的外觀質量、產品密實度明顯提高，氣檢合格率也由原來的20%以下提高到70%（含70%）以上，個別規格氣檢合格率能達到80%以上，滿足伺服機構用星形密封圈的充氣合格率技術指標要求。